Плотность природного газа

= °'4СШ (Рч - Рг)----g---- (53) 

0,43 0,29 |1 рг 

Для частиц размером более 0,8 мм скорость осаждения  согласно формуле Ньютона 

w = 1,74p^—^-. (5.4) 

Рг 

319 

 Рис. 5.5. Зависимость скорости осаждения  w от диаметра капель воды при разных давлениях 

Формулы (5.1) — (5.3) справедливы для расчета скорости осаждения шарообразных частиц. На рис. 5.5 показан график зависимости скорости осаждения w от диаметра капель воды аая разных давлений, построенный по этим формулам. 

Для всего  диапазона встречаемых на практике размеров частиц различной конфигурации скорость осаждения можно определить по формуле 

320 

^2dprp*j 3prp* 2dprp* 

где а* и р* — коэффициенты сопротивления, соответственно равные: для шаров  а* = 24 и (3* = 0,44, для круглых пластинок  а* = 17,4 и р* = 1,1. 

При конфигурации частицы, отличающейся от шара, в расчетах принимается эффективный диаметр  частиц. 

Приведенные формулы справедливы для установившейся скорости движения частиц. На практике при входе газа в сепаратор  скорость газа и частиц меняется. За время пребывания в сепараторе скорость осаждения частиц не достигает постоянного значения. Это следует учитывать при расчетах сепараторов [см. формулу (3.21)]. 

5.3.2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ  РАСЧЕТ ИНЕРЦИОННЫХ СЕПАРАТОРОВ 

При расчете  сепараторов с учетом только массы осаждающихся частиц размеры аппаратов получают значительными, что обусловливает большой расход металла. Из инерционных сепараторов чаще применяют те, принцип действия которых основан на использовании центробежных сил. Такие сепараторы называют циклонными (рис. 5.6). Газ, тангенциально поступающий через входной патрубок, в сепараторе приобретает вращательное движение и направляется вниз по винтовой линии к вершине конуса. Жидкость со стенки циклона (устройство для отделения частиц от газа) стекает вниз. При выводе расчетных формул обычно принимают, что частицы газа вращаются с одинаковой угловой скоростью аналогично вращению твердого тела. Вращательное движение газа характеризуется тем, что в центральной части сепаратора статическое давление минимально. Чем выше скорость, тем больше разность давлений в этой части, а также на периферии. Газ и частицы, поступая в сепаратор, сохраняют первоначальное направление, прижимаются к стенкам цилиндра и закручиваются в нисходящую спираль. По достижении вершины конуса вращающиеся слои газа поворачиваются к оси сепаратора, меняя направление, и начинают двигаться к выходной трубе в виде вертикального восходящего вихря. Частицы примесей, двигаясь по стенкам сепаратора, достигают отстойника, 

Рис. 5.6. Циклонный сепаратор 

в котором  осаждаются. Рост скорости газа приводит к увеличению разряжения в центральной  части циклонного сепаратора и появлению  силы, тянущей осевшую пленку к  выходной трубе. Таким образом, в  подобных сепараторах, кроме вращательного, происходит движение, направленное вдоль его оси. Причем продольное движение у стенок цилиндра и конуса направлено вниз, а в центральной части — вверх. 

Теория  расчетов циклонных сепараторов  основана на предположении, что центробежная сила, действующая на частицу, равна  силе сопротивления, которое оказывает газ, препятствуя ее движению в радиальном направлении. Скорость движения частиц в циклоне w4 в зависимости от размера их по аналогии с действием силы тяжести можно определить по следующим приближенным формулам: ^ая мелких частиц 

А2 2 

(5.6) 

^\ая  средних частиц 

п 1<и  °- 71 °'29 

0r 408d p g 

W = 

0,43 0,29 [I Рг 

(w2r)0'71; 

(5.7) 

^}^,ая  крупных частиц 

w = 

322 

w = 1,74 \^-w2i. (5.8) 

V Pr 

Здесь i — расстояние в радиальном направлении  от оси циклонного сепаратора до частицы, м; w — угловая скорость газа, v_1c; остальные обозначения те же, что и в формуле (5.1). 

Из формулы (5.7) следует, что скорость движения частиц в циклонном сепараторе зависит  не только от его диаметра и состояния  среды, но и от конструкции и размеров самого сепаратора. В этом состоит главное отличие центробежной сепарации от гравитационной. 

При отделении  жидкости в циклонных сепараторах  не следует допускать больших  скоростей движения газа, при которых  происходит дробление жидкости на мелкие капли и ее вынос. Для каждого циклона имеется своя оптимальная скорость сепарации. 

На практике гидравлический расчет циклонного сепаратора сводится к определению его диаметра. Остальные размеры конструктивно  зависят от этого диаметра. 

Диаметр определяют по формуле 

D = 0,0122 4 

1 

qWt (59) 

(P1 " Р2)РсрТ 

где Q —  дебит газа при стандартных условиях, тыс. м3/сут; р — плотность газа при стандартных условиях, кг/м3; (р1 — — р2) — потери давления в  сепараторе, МПа; рср — абсолютное среднее давление, МПа; Г — температура газа в сепараторе, К; z - коэффициент сверхсжимаемости, определяемый при рср и Гср в сепараторе; рст = 0,1013 МПа; Гст = 293 К. 

5.3.3. СЕПАРАТОРЫ  С НАСАДКАМИ 

Основной  элемент этого вида сепаратора —  насадка. На практике широко распространены жалюзийные насадки, конструктивно представляющие собой набор пластин различной конфигурации. 

Частицы жидкости, содержащиеся в потоке газа, набегающем на пластины, ударяются  о них и прилипают. По мере накопления на пластинах жидкость стекает в  нижнюю часть сепаратора, откуда периодически удаляется через специальные патрубки. 

323 

 Рис. 5.7. Зависимость K от 

A У 

Рис. 5.8. Зависимость w от p при коэффициенте уноса жидкости K , %: 

1 - 1,0; 2 - 0,1; 3 - 0,01; 4 -У0Г001 

Насадка, с одной стороны, не должна создавать больших гидравлических сопротивлений потоку, а с другой — иметь достаточно развитую поверхность для улучшения условий отделения жидкости от газа. 

Технологический расчет такого сепаратора сводится к  определению скорости набегания  потока газа на жалюзи, при которой частицы жидкости интенсивно прилипают к пластинам, но при этом не происходит срыва и дробления капель жидкости, осевшей в насадке. 

Расчет  жалюзийной насадки выполняют с  помощью приведенного на рис. 5.7 графика, на котором дана зависимость коэффициента уноса жидкости Ку от параметра А: 

A 

К = 

\/р" 

9 s(p' 

G" + Go 

; 

100, 

(5.10) 

(5.11) 

где w —  скорость движения газа, м/с; 6 — поверхностное  натяжение на границе раздела  газа и жидкости, Н/м; р1, pJ1 — плотность  соответственно жидкости и газа, кг/м3; G” - массовый расход газа, кг/м3; G’2 - массовый расход жидкости после сепаратора, кг/м3. 

По графику, приведенному на рис. 5.8, определяют скорость потока газа как функцию давления в сепараторе и коэффициента уноса  жидкости. 

324 

w 

5.3.4. ВОДОСБОРНИКИ 

На газопроводах, а иногда и у скважины устанавливают  водосборники, предназначенные для  улавливания и удаления основной массы сконденсировавшейся влаги  и других примесей. Они практически  ничем не отличаются от горизонтальных сепараторов, но размещают их в зависимости от рельефа местности обычно в пониженных местах. 

Одна  из конструкций горизонтального  водосборника, применяемая на первых отечественных газопроводах, приведена  на рис. 5.9. 

Водосборники  горизонтального типа врезают в  газопровод 1. Скапливающуюся в водосборнике 2 воду и другие примеси периодически продувают через рабочие вентили 4. 

В холодное время года перепускной вентиль 6 должен быть все время открыт во избежание подъема жидкости в  вертикальной выводной трубке и для  предотвращения ее обмерзания. Во время продувки газопровода этот вентиль закрывают, а вентиль 4 открывают; после продувки открывают вентиль 6 и конец трубки просушивают сухим газом из газопровода. После этого вентиль 4 закрывают, а вентиль 6 оставляют открытым. 

На практике широко применяют водосборники типа расширительной камеры. Степень очистки от примесей в расширительных камерах достигает 90 %. 

Рис. 5.9. Гошоонтальный водосбооник: 

1 - газопровод- 2 - водосборник- 3 - отключающая задвижка- 4 - рабочий вентиль; 5 - верхняя задвижка; 6 - перепускной вентиль 

325 

 Конструкции  сепараторов 

На газовых  промыслах применяют сепараторы различных конструкций: горизонтальные, вертикальные, цилиндрические, шаровые  с различным внутренним и наружным устройством. 

Вертикальные  сепараторы. Сепаратор (рис. 5.10) пред-ставляет собой вертикальный сосуд диаметром до 1-2 м, высотой до 4-5 м. Газ подают через боковой тангенциальный ввод. Для улучшения условий выделения примесей предусмот-рено изменение направления потока газа. Отделившиеся частицы накапливаются в нижней части сепаратора, откуда периодически удаляются. 

В верхней  части сепаратора установлена жалюзийная насадка. Пространство ниже насадки  и кольцевого ввода газа используется ^\я гравитационного осаждения  частиц в жидкости. 

Горизонтальные  сепараторы (длиной до 6-7 м, диамет-ром  до 1,2 м) по устройству сходны с вертикальными. В них также изменяется направление  потока газа. Эти сепараторы более  удобны в монтаже и обслуживании, чем вертикальные. 

Емкостью ^ая отсепари-рованной жидкости чаще всего служит самостоятель-ный сосуд, расположенный вдоль сепаратора и связанный с ним сливными пат-рубками. На входе газа предусмотрен циклонный элемент. 

Циклонные сепараторы подразделяют на односту-пенчатые, двухступенчатые и многоциклонные (мультициклоны) открытого и закрытого типов, преимущественно с кожухом и с разрывом потока струи (см. рис. 6.7). Эффективность работы сепаратора 

Рис 5.10. Вертикальный сепаратор 

326 

 ТАБЛИЦА  5.4 Производительность циклонов, тыс.  м3/сут 

Диаметр

 циклона D, мм 

 Рабочее  давление,

 МПа

16 

2,5

6,4

10

25 

100

50-80

100-200

200-300

300-500

650-750 

150

100-170

250-450

400-700

600-1000

1000-1800 

200

180-300

500-800